Die Durchführung einer Oberschwingungsstudie zum Nachweis der Einhaltung von Versorgungsstandards ist ein entscheidender technischer Prozess für den Anschluss moderner Energiesysteme an das Netz. Mit der Verbreitung von Wechselrichter-basierten Ressourcen und nichtlinearen Lasten, Versorgungsunternehmen setzen Standards wie IEEE mittlerweile strikt durch 519 oder UK G5/5, um Stromqualität und Systemstabilität sicherzustellen.
Nachfolgend finden Sie einen technischen Leitfaden, der die systematische Methodik zur Durchführung einer harmonischen Studie beschreibt, basierend auf aktuellen internationalen Standards.
1. Grundlegende Konzepte und regulatorischer Rahmen
Bevor Sie mit den Berechnungen beginnen, Es ist wichtig, die maßgeblichen Standards und die physikalischen Phänomene zu verstehen.
1.1 Harmonische Verzerrung verstehen
Oberschwingungen sind sinusförmige Spannungen oder Ströme mit Frequenzen, die ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz sind (z.B., 60 Hz oder 50 Hz) . Sie werden durch nichtlineare Lasten wie Frequenzumrichter erzeugt, LED-Beleuchtung, und Wechselrichter. Diese Verformungen können zu einer Überhitzung der Geräte führen, Transformatorverluste, und Schutz vor Fehlbedienung .
1.2 Anwendbare Standards
Die Wahl des Standards hängt von Ihrem geografischen Standort und den Versorgungsanforderungen ab:
- IEEE Std 519-2014: Wird hauptsächlich in Nordamerika verwendet, Dieser Standard legt die Qualität der Stromversorgung am Punkt der gemeinsamen Kopplung fest (PCC). Es begrenzt sowohl die individuelle harmonische Verzerrung als auch die individuelle harmonische Verzerrung (IHD) und die totale harmonische Verzerrung (THD) von Spannung und Strom .
- Technische Empfehlung G5/5: Obligatorisch im Vereinigten Königreich, Dieser Standard erfordert eine strengere Bewertung beider inkrementeller Maßnahmen (Der Beitrag Ihrer Anlage) und insgesamt (Hintergrund + inkrementell) harmonische Spannungen, oft bis zur 100. Harmonischen ausgewertet .
2. Datenerfassung und Systemmodellierung
Die Genauigkeit einer harmonischen Studie hängt vollständig von der Qualität der Eingabedaten ab.
2.1 Versorgungsdaten (Punkt der gemeinsamen Kopplung)
Sie müssen Folgendes vom Vertriebsnetzbetreiber erhalten (UNTEN) oder Nutzen:
- Harmonische Hintergrundspannungen: In der Regel basierend auf zweiwöchigen Messdaten im PCC, um normale Betriebsschwankungen zu erfassen .
- Harmonische Impedanzorte: Dies beschreibt, wie sich die Netzwerkimpedanz mit der Frequenz ändert. Dies ist entscheidend für die Identifizierung potenzieller Resonanzen. Das bevorzugte Format sind nicht gruppierte Hüllkurven für jede harmonische Ordnung .
- Gitterstärke: Wird normalerweise als Kurzschlussverhältnis ausgedrückt (SCR) im PCC.
2.2 Gerätedaten (OEM)
Der Erstausrüster (OEM) muss ein Norton-äquivalentes Modell der Anlage bereitstellen (Wechselrichter, Antriebs, usw.). Dieses Modell, unerlässlich für eine genaue Simulation, besteht aus zwei Teilen für jede Frequenz :
- Norton Current Source: Die Größe und der Phasenwinkel des vom Gerät eingespeisten Oberschwingungsstroms.
- Norton-Impedanz: Die interne Impedanz des Geräts, was sich darauf auswirkt, wie es mit Gitterresonanzen interagiert.
Abbildung 1: Beispiel für Harmonische (Interaktiv)
Verzerrte Wellenform, die aus der Kombination von Grund- und Oberwellenfrequenzen resultiert (Vollständig interaktiv).
3. Schritt-für-Schritt-Methode zur harmonischen Analyse
Sobald die Daten gesammelt sind, Die Studie durchläuft eine Reihe von Analyseschritten unter Verwendung spezieller Software (z.B., ETAP, DIgSILENT PowerFactory).
3.1 Frequenz-Scan-Analyse
Der erste Schritt ist ein Frequenzdurchlauf, um Resonanzbedingungen zu identifizieren. Die Software speist einen Strom unterschiedlicher Frequenz ein und misst die Impedanz.
- Ziel: Identifizieren Sie Parallelen (hohe Impedanz) und Serien (niedrige Impedanz) Resonanzpunkte.
- Risiko: Wenn eine Resonanzspitze mit einer charakteristischen harmonischen Frequenz übereinstimmt (z.B., 5th, 7th, 11th), Oberschwingungsspannungen werden verstärkt, was zu hohen Verzerrungen führt .
Abbildung 2: Harmonische Resonanz bei der 5. Harmonischen (Beispiel)
Impedanz vs. Frequenzdiagramm, das einen parallelen Resonanzpeak zeigt.
Verwendung des Norton-Modells der Anlage und der Netzimpedanz, Berechnen Sie die Spannungsverzerrung, die nur durch Ihr neues Gerät verursacht wird.
3.2 Berechnen Sie inkrementelle harmonische Spannungen
Wo: INh ist die harmonische Spannung, Ichh ist der harmonische Strom, und Inh ist die Netzimpedanz bei harmonischer Ordnung h.
Compliance-Check: Dieser Wert muss unter dem liegen "Inkrementelle Grenzwerte" vom Dienstprogramm oder Standard festgelegt (z.B., G5/5-Stufe 1 Grenzen) .
3.3 Berechnen Sie die gesamte harmonische Verzerrung
Dadurch wird der inkrementelle Beitrag mit bereits vorhandenen Hintergrundverzerrungen kombiniert.
- Gesamte harmonische Spannungsverzerrung (THDv): Der quadratische Mittelwert (RMS) aller harmonischen Spannungen, ausgedrückt als Prozentsatz der Grundspannung.
- Compliance-Check: Der THDv und die einzelnen Oberschwingungsspannungen müssen unter dem liegen "Gesamtlimits" (z.B., IEEE 519 Grenzwerte für die Spannungsqualität oder G5/5-Planungsebenen) .
Abbildung 3: Spannungsharmonische (Interaktiv)
Balkendiagrammdarstellung der einzelnen Oberschwingungsspannungen (VN) als Prozentsatz des Grundkapitals .
Harmonische Studie basierend auf IEEE und UK G5/5
G5/5 und ähnliche Standards erfordern die Überprüfung, dass die neue Verbindung keine negativen Auswirkungen auf benachbarte Kunden hat. Dabei werden die Auswirkungen auf benachbarte Umspannwerke oder sensible Standorte simuliert (Krankenhäuser, Rechenzentren) .
Abbildung 4: Harmonische Impedanzorte
Impedanzorte auf der R-X-Ebene aufgetragen, zeigt, wie sich die Impedanz mit der Frequenz ändert [Zitat:4].
Der letzte Schritt besteht darin, die Ergebnisse in einem formellen Bericht für das Versorgungsunternehmen zusammenzustellen.
4. Compliance-Überprüfung und Berichterstattung
4.1 Vergleich mit Grenzen
Erstellen Sie eine Übersichtstabelle, in der die berechneten Werte mit den Standardgrenzwerten verglichen werden. Für IEEE 519, Dazu gehört die Überprüfung:
- IEEE 519 Tabelle 1: Spannungsverzerrungsgrenzen am PCC.
- IEEE 519 Tabelle 2: Aktuelle Verzerrungsgrenzen basierend auf dem I_{SC}/I_L-Verhältnis (Kurzschlussstrom vs. Laststrom) .
4.2 Minderungsstrategien
Bei Grenzwertüberschreitungen, Die Studie muss Lösungen vorschlagen:
- Passive Filter: Abgestimmt, um bestimmte harmonische Frequenzen zu überbrücken.
- Aktive Oberschwingungsfilter: Injizieren Sie entgegengesetzte Ströme, um Oberschwingungen auszulöschen.
- Impedanzänderung: Ändern der Transformatoranschlüsse oder Hinzufügen von Drosseln, um das System zu verstimmen .
4.3 Die dreistufige Verifizierungsrichtlinie
Wie in den aktuellen IEEE-Richtlinien dargelegt, Compliance kann in einem dreistufigen Prozess zusammengefasst werden :
1. Messen Sie Daten am Verbindungspunkt (DANN).
2. Führen Sie eine statistische Auswertung der Daten durch.
3. Vergleichen Sie die Ergebnisse mit den korrekten IEEE-Grenzwerten.